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    1. 一文了解清楚干燥、燒結、煅燒、焙燒之間的區別
      發布時間:2020-05-06 來源:中國無機鹽工業協會     分享到:

      一、干燥

      用加熱蒸發的方法除去物料中部分水分的過程稱為干燥。干燥的作用可歸納為制取符合水分要求的粉料,使生坯具有一定的強度便于運輸和加工,提高坯體吸附釉層的能力,提高燒成窯的效率,縮短燒成周期。因此干燥是陶瓷生產的重要工序。

      1、干燥機理

      干燥是脫水的過程,是一個消耗時間和能量的過程。研究干燥過程的目的,主要是為提高干燥速度,降低能量消耗。顯然,它們都必須建立在保證干燥質量的前提下。

      物料中水分類型按坯體含水的結合特性,基本上可分為三類:自由水、吸附水和化學結合水。

      自由水:又叫機械結合水,分布在固體顆粒之間,是由物料直接與水接觸而吸收的水分。自由水一般存在于物料直徑>10-5cm的大毛細管中,與物料結合松弛,較易排除。自由水排除時,物料顆粒彼此靠攏,體積收縮,收縮值與自由水排出體積大致相等,故自由水也稱收縮水。

      吸附水:將絕對干燥的物料置于大氣中時,能從大氣中吸附一定的水分,這種吸附在粒子表面上的水分叫吸附水。吸附水在物料顆粒周圍受到分子引力的作用,其性質不同于普通水,其結合的牢固程度隨分子力場的作用減弱而降低。在干燥過程中,物料表面的水蒸氣分壓逐漸下降到周圍介質的水氣汽分壓時,水分不能繼續排除,此時物料中所含水分也稱平衡水。

      化學結合水:包含在物料的分子結構內的水分,如結晶水、結構水等。這種結合比較牢固,排除時需較大的能量。

      綜上所述,干燥過程是排除物料水分的過程,其實質是排除自由水。平衡水的排除是沒有實際意義的,而化學結合水的排除屬于燒成范圍內的問題。干燥時,首先排除自由水,一直排除到平衡水為止。

      2、干燥過程

      在干燥過程中,坯體表面的水分以蒸汽形式從表面擴散到周圍介質中去,稱為表面蒸發或外擴散;當表面水分蒸發后,坯體內部和表面形成濕度梯度,使坯體內部水分沿著毛細管遷移至表面,稱為內擴散。內、外擴散是傳質過程,需要吸收能量。坯體在干燥過程中變化的主要特征是隨干燥時間的延長,坯體溫度升高,含水率降低,體積收縮;氣孔率提高,強度增加。這些變化都與含水率降低相聯系。因此,通常用干燥曲線來表征。

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      (1)升速階段

      坯體受熱后溫度升高。當坯體表面溫度達到干燥介質濕球溫度時,坯體吸收熱量與蒸發耗熱達到平衡,此階段含水量下降不多,達到A點后進入等速干燥階段。

      (2)等速干燥階段

      在此階段中坯體含水量較高,內擴散水分能滿足外擴散水分的需要,坯體表面保持濕潤。外界傳給表面的熱量等于水分氣化所需之熱量,故表面溫度不變,等于介質濕球溫度。物料表面水氣分壓等于純水表面蒸氣壓,干燥速度恒定。當干燥進行到K點時,坯體內擴散速度小于外擴散速度,此時開始降速干燥階段,K點稱臨界水分點。

      此階段是排除自由水,故坯體產生體積收縮。若干燥速度過快,表面蒸發劇烈,外層很快收縮,甚至過早結成硬皮,使毛細管直徑縮小,妨礙內部水分向外移動,增大了內外濕度差,使內層受壓應力而外層受張應力,導致坯體出現裂紋或變形。因此本階段對干燥速度應慎重控制。

      (3)降速干燥階段

      此時干燥速度逐漸降低,蒸發強度和熱能消耗大大減少,當其它條件不變時,坯體表面溫度逐漸升高,坯體上空的水蒸氣分壓小于同溫度下的水的飽和蒸氣壓。坯體略有收縮,水分排除,形成氣孔,使坯體氣孔率上升。

      (4)平衡階段

      當坯體干燥到表面水分達到平衡水分時,干燥速度降為零。此時坯體與周圍介質達到平衡狀態。平衡水分的多少與周圍介質的溫度、相對濕度和坯料組成有關。坯體的干燥最終水分一般說來不應低于貯存時的平衡水分,否則干燥后將再吸收水分達到平衡水分。

      3、影響干燥速度的因素

      在生產中,為提高干燥效率應加快干燥速度,但干燥速度的提高受干燥設備和干燥條件的限制,而這一切又必須在保證干燥質量的前提下進行。因此影響干燥速度的困素有以下幾個方面:

      (1)坯料的性質

      粘土的可塑性越強,加入量越多,顆粒越細,干燥速度就越難提高;瘠性物料越多,顆粒越粗,越有利于提高干燥速度。

      (2)坯體形狀、大小和厚度

      形狀復雜,體大壁厚的坯體在干燥時易產生收縮應力,故其干燥速度應加以控制,不宜太快。

      (3)坯體溫度

      坯體溫度高,水的粘度小,有利于水分向表面移動。

      (4)干燥介質的性質

      干燥介質溫度越高,濕度越小,則吸收水分的能力越大。增大干燥介質流速,減小邊界層的厚度,增大對流傳質系數,則可加快干燥速度。

      (5)使熱擴散與濕擴散的方向一致

      坯體中水分的內擴散包括濕擴散和熱擴散。濕擴散是坯體內部由于存在濕度梯度引起的水分移動,其方向由坯體內部指向坯體外部;熱擴散是坯體內部由于存在溫度梯度而使水分移動,其方向由坯體表面指向坯體中心。當溫度梯度與濕度梯度方向一致時會顯著加快內擴散速度。如采用電熱干燥、微波干燥、遠紅外干燥,可使坯體內外的水分同時受熱,因而可加快內擴散過程,有助于提高干燥速度。

      4、合理選擇干燥器

      化工生產中需干燥的物料種類繁多,對產品質量的要求各不相同,因此,選擇合適的干燥器非常重要。若選擇不當,將導致熱量利用率低,動力消耗高,浪費能源,甚至所生產的產品質量不達要求。對干燥器的選擇,應該考慮以下幾方面的問題。

      (1)干燥器要能滿足生產的工藝要求。工藝要求主要是指:達到規定的干燥程度,干燥均勻,保證產品具有一定的形狀和大小等。由于不同物料的物理、化學性質(如黏附性、熱敏性等)、外觀形狀以及含水量等差異很大,對于干燥設備的要求也就各不相同。所以干燥器必須根據物料的不同特征來選定。


      (2)生產能力要適度。干燥器的生產能力取決于物料達到規定干燥程度所需的時間,干燥速率越快,所需干燥時間就越短,設備的生產能力就越大。一般來說,間歇式干燥器的生產能力小,連續操作的干燥器生產能力大。因此,物料的處理量小時,宜采用間歇式干燥器,物料的處理量大時,應采用連續操作的干燥器。


      (3)熱效率要高。干燥器的熱效率是干燥設備的主要經濟指標。不同類型的干燥器,其熱效率也不同。選擇干燥器時,在滿足干燥基本要求的條件下,應盡量選擇熱能利用率高的干燥器。


      (4)干燥系統的流動阻力要小,以降低動力消耗。


      (5)附屬設備要簡單,操作控制方便,勞動強度低。

      二、燒結

      燒結是一種高溫熱處理,將壓坯或松裝粉末體置于適當的氣氛中,在低于其主要成分熔點的溫度下保溫一定時間,以獲得具有所需密度、強度和各種物理及力學性能的材料或制品的工序。它是粉末冶金生產過程關鍵的、基本的工序之一,目的是使粉末顆粒間產生冶金結合,即:使粉末顆粒之間由機械嚙合轉變成原子之間的晶界結合。用粉末燒結的方法可以制得各種純金屬、合金、化合物以及復合材料。

      1、燒結基本原理

      燒結過程與燒結爐、燒結氣氛、燒結條件的選擇和控制等方面有關,因此,燒結是一個非常復雜的過程。燒結前壓坯中粉末的接觸狀態為顆粒的界面,可以區分并可分離,只是機械結合。燒結狀態時,粉末顆粒接觸點的結合狀態發生了轉變,為冶金結合,顆粒界面為晶界面。隨著燒結的進行,結合面增加,直至顆粒界面完全轉變成晶界面,顆粒之間的孔隙由不規則的形狀轉變成球形的孔隙。

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      燒結的機理:粉末壓坯具有很大的表面能和畸變能,并隨粉末粒徑的細化和畸變量的增加而增加,結構缺陷多,因此處于活性狀態的原子增多,粉末壓坯處于非常不穩定的狀態,并力圖把本身的能量降低。將壓坯加熱到高溫,為粉末原子所儲存的能量釋放創造了條件,由此引起粉末物質的遷移,使粉末體的接觸面積增大,導致孔隙減小,密度增大,強度增加,形成了燒結。

      按燒結過程中有無液相出現和燒結系統的組成,燒結可分為固相燒結和液相燒結。如果燒結發生在低于其組成成分熔點的溫度,粉末或壓坯無液相形成,則產生固相燒結;如果燒結發生在兩種組成成分熔點之間,至少有兩種組分的粉末或壓坯在液相狀態下,則產生液相燒結。固相燒結用于結構件,液相燒結用于特殊的產品。液相燒結時,在液相表面張力的作用下,顆粒相互靠緊,故燒結速度快,制品強度高。普通鐵基粉末冶金軸承燒結時不出現液相,屬于固相燒結;而硬質合金與金屬陶瓷制品燒結過程將出現液相,屬于液相燒結。

      2、燒結工藝

      粉末冶金零件燒結工藝根據零件的材料、密度、性能等要求,確定工藝條件及各項參數。燒結工藝參數包括兩個方面,一為燒結溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度;二為合適的燒結氣氛及控制氣氛中各成分的比例。

      粉末冶金零件壓坯完成一次燒結需要不同的溫度和時間。通常燒結分三個階段,分別是預燒、燒結和冷卻。

      為了保證潤滑劑的充分排除以及氧化膜的徹底還原,預燒應有一定時間,且時間長短與潤滑劑添加量和壓坯大小有關。預燒之后,將燒結零件送入高溫區燒結,燒結溫度可根據燒結組元熔點、粉末的燒結性能及零件的要求有關。通常對于固相燒結,燒結溫度為主要組元熔點溫度的0.7~0.8倍。燒結結束后,燒結零件進入冷卻區,冷卻至規定溫度或室溫,然后出爐。零件從高溫冷卻至室溫會發生組織結構和相溶解度的變化,將會影響產品的最終性能,冷卻速度對其有決定作用,因此,需要控制冷卻速度。

      燒結時最主要的因素是燒結溫度、燒結時間和大氣環境,此外,燒結制品的性能也受粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等因素的影響。燒結過程中,燒結溫度和燒結時間必須嚴格控制。燒結溫度過高或燒結時間過長,都會使壓坯歪曲和變形,其晶粒亦大,產生所謂“過燒”的廢品;如燒結溫度過低或燒結時間過短,則產品的結合強度等性能達不到要求,產生所謂“欠燒”的廢品。

      三、煅燒

      煅燒是天然化合物或人造化合物的熱離解或晶形轉變過程,此時化合物受熱離解為一種組成更簡單的化合物或發生晶形轉變。碳酸鹽的熱離解常稱為焙解。煅燒作業可用于直接處理礦物原料以適于后續的工藝要求,也可用于化學選礦后期處理以制取化學精礦,滿足用戶對產品的要求。影響煅燒過程的主要因素為煅燒溫度、氣相組成、化合物的熱穩定性等。

      由于各種化合物(如碳酸鹽、氧化物、氫氧化物、硫化物、含氧酸鹽等)的熱穩定度不同,控制煅燒溫度和氣相組成即可選擇性地改變某些化合物的組成或發生晶形轉變,再用相應方法處理即可達到除雜和使有用組分富集的目的。

      四、焙燒

      焙燒是在適當氣氛(有時還加入某些化學試劑)和低于礦物原料熔點的溫度條件下,使原料中的目的礦物發生物理變化和化學變化的工藝過程。它可作為一個獨立的化學選礦作業流程或作為選礦的準備作業流程使目的礦物轉變為易選或易浸的形態。根據焙燒時的氣氛條件和目的組分發生的主要化學變化,可將焙燒過程大致分為以下幾類,即:氧化焙燒、硫酸化焙燒、還原焙燒、氯化焙燒、煅燒和燒結等。

      參考來源:

      戴金輝,無機非金屬材料概論,哈爾濱工業大學出版社,2018

      黃英編著,化工過程節能與優化設計,西北工業大學出版社,2018

      劉建華,材料成型工藝基礎,西安電子科技大學出版社,2016

      孫傳堯主編,選礦工程師手冊,冶金工業出版社,2015

      黃禮煌著,化學選礦第2版,冶金工業出版社,2012


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